Angle de trajectoire de vol (FPA) et angles aérodynamiques associés en aviation

Comprendre comment un avion se déplace dans l’air – qu’il monte, descende ou vole à niveau – repose sur trois angles aérodynamiques fondamentaux : l’Angle de trajectoire de vol (FPA), l’Angle de tangage et l’Angle d’attaque (AoA). Chacun représente une réalité physique distincte, avec des implications uniques pour la sécurité des vols, la gestion de l’énergie et la stabilité en approche. Cette entrée de glossaire détaille leurs définitions, usages opérationnels, relations mathématiques et leur pertinence dans les cockpits modernes, en se référant aux sources OACI, FAA et industrielles.

Angle de trajectoire de vol (FPA, γ)

Définition :
L’Angle de trajectoire de vol (FPA), symbolisé par gamma (γ), est l’angle vertical entre la trajectoire de l’aéronef et l’horizontale locale. Il indique si l’avion monte (FPA positif), descend (FPA négatif) ou vole à niveau (FPA nul), indépendamment de l’assiette ou du tangage.

Formule mathématique :
[ \gamma = \arcsin\left(\frac{\text{Vitesse verticale}}{\text{Vitesse vraie}}\right) ]

• Vitesse verticale : Taux de montée ou de descente
• Vitesse vraie : Vitesse réelle de l’avion par rapport à l’air ambiant

Usage opérationnel :

• Montée/descente : Le FPA sert à maintenir des profils verticaux précis, notamment lors des approches aux instruments et des remises de gaz.
• Affichage cockpit : Dans les cockpits verre, le FPA est représenté par le vecteur de trajectoire de vol (FPV) sur le PFD, donnant une information de trajectoire en temps réel.
• Normes réglementaires : L’OACI PANS-OPS (Doc 8168) et les SOP compagnies exigent l’utilisation de profils de descente à angle constant pour la sécurité en approche.

Exemple :
Si un avion descend à 1000 ft/min à 180 nœuds,
[ \gamma = \arcsin\left(\frac{-1000}{180 \times 101.27}\right) \approx -3,2^\circ ] Une pente d’approche typique est de -3°.

Angle de tangage (θ)

Définition :
L’Angle de tangage (θ) est l’angle entre l’axe longitudinal de l’avion (nez-queue) et l’horizontale locale. Il reflète l’assiette de l’aéronef, pas sa trajectoire réelle.

Affichage et usage :

• Instrument : Visible sur l’indicateur d’assiette (horizon artificiel) ou le PFD.
• Rôle opérationnel : Sert au contrôle de l’assiette lors du décollage, montée, croisière, descente et atterrissage.
• Formation : L’OACI Doc 10011 (UPRT) souligne que le tangage n’indique pas toujours de manière fiable la montée ou la descente ; les pilotes doivent croiser avec le FPA et la vitesse verticale.

Exemple :
Un avion peut avoir un tangage de +5°, mais s’il descend rapidement, son FPA peut être négatif.

Angle d’attaque (AoA, α)

Définition :
L’Angle d’attaque (AoA, α) est l’angle entre la corde de l’aile et le vent relatif (direction du flux d’air sur l’aile). L’AoA détermine directement portance, traînée et risque de décrochage.

AoA critique et décrochage :

• AoA critique : AoA maximal avant séparation du flux ; le dépasser provoque un décrochage, quelle que soit la vitesse ou le tangage.
• Instrumentation : Les avions avancés peuvent avoir un indicateur d’AoA ; les avions de ligne traitent l’AoA pour l’alerte/défense décrochage mais l’affichent rarement directement.

Contexte réglementaire :

• OACI/FAA : La connaissance de l’AoA est centrale pour la prévention du décrochage, notamment en vol lent, à l’approche ou en récupération d’incident (voir OACI Doc 10011, FAA AC 25-7D).

Exemple :
Lors d’un décrochage, l’angle de tangage peut être élevé, mais le FPA nul ou négatif. L’AoA est le paramètre clé pour la récupération.

Vecteur de trajectoire de vol (FPV) et intégration PFD

Définition :
Le Vecteur de trajectoire de vol (FPV) est une symbologie sur le PFD indiquant la trajectoire réelle de l’avion par rapport à l’horizon. Représenté par un « oiseau » ou un « donut », il permet aux pilotes de « voler la trajectoire », alignant le mouvement réel sur la route désirée.

Bénéfices opérationnels :

• Approches stabilisées : Aligner le FPV sur le repère -3° pour une pente de descente précise.
• Réduction charge de travail : Le FPV simplifie la gestion de trajectoire, surtout en conditions de forte charge ou faible visibilité.

Standardisation :

• OACI Doc 8168 : Prône les approches à angle de descente constant (CDA), facilitées par la symbologie FPV.
• Adoption industrielle : Désormais standard dans les avions de ligne modernes, jets d’affaires et turbopropulseurs avancés.

Comparaison FPA, angle de tangage et AoA

Relation mathématique :
[ \text{AoA}\ (\alpha) = \text{Angle de tangage}\ (\theta) - \text{Angle de trajectoire}\ (\gamma) ]

• Si Tangage = +7°, FPA = +3°, alors AoA = 4°.

Analyse de scénarios :

• Vol à niveau : Tangage légèrement positif (pour maintenir la portance), FPA nul, AoA faible.
• Montée : Tangage positif, FPA positif, AoA augmente.
• Descente : Tangage peut être neutre ou légèrement négatif, FPA négatif, AoA géré pour le taux de descente.
• Décrochage : Tangage élevé, FPA nul/négatif – un tangage élevé ≠ montée.

Applications pratiques et cas d’usage

Approches aux instruments et descentes stabilisées

• Angle de descente constant : Les approches (ILS, RNAV, VOR) utilisent un FPA de 3° pour la stabilité et la marge avec le relief.
• Sécurité : Un FPA stabilisé aide à éviter le CFIT et garantit la conformité réglementaire.

Remise de gaz et remise de puissance

• Transition : Augmenter le tangage seul ne garantit pas la montée ; il faut vérifier un FPA et une vitesse verticale positifs.
• SOP : Insistent sur la vérification croisée de plusieurs paramètres pour une remise de gaz sûre.

Récupération d’incident et prévention du décrochage

• UPRT : La sortie de décrochage se fait en réduisant l’AoA, pas uniquement en baissant le nez ; le FPA peut rester négatif après l’action initiale.

Gestion manuelle de l’énergie

• État énergétique : Le FPA donne un retour direct sur la variation d’altitude par distance, facilitant les décisions de début de descente, palier ou atterrissage.

FPA dans la planification et les performances de vol

• Pentes de montée/descente : Exigées par l’OACI PANS-OPS pour la franchissabilité des obstacles ; exprimées en FPA ou en pourcentage.
• Fiches de performances et FMS : Utilisent le FPA pour optimiser les profils verticaux, répondre aux exigences SID/STAR/approche.
• Environnement/relief : Le FPA est clé pour l’évitement du bruit et la franchissabilité terrain en environnement difficile.

FPA et avionique moderne

• Directeur de vol & pilote automatique : Les systèmes modernes permettent la sélection/maintien direct d’un FPA cible pour un contrôle vertical précis.
• Réduction de la charge de travail : Les modes FPV et FPA simplifient la gestion de trajectoire.
• Sécurité : L’affichage de trajectoire en temps réel aide à éviter les déviations de pente, les montées manquées et les erreurs d’état énergétique.

Glossaire des termes associés

FPA dans les équations du mouvement de l’aéronef

En dynamique du vol, le FPA est fondamental dans les équations du mouvement :

[ T \sin(\alpha + \varepsilon) - D - W \sin(\gamma) = m \frac{dV}{dt} ] [ T \cos(\alpha + \varepsilon) - D - W \cos(\gamma) = m (V \frac{d\gamma}{dt}) ]

• T : Poussée
• D : Traînée
• W : Poids
• α : Angle d’attaque
• ε : Angle de poussée
• γ : Angle de trajectoire
• V : Vitesse
• m : Masse

Ces équations servent de base à la certification, la simulation et l’analyse de performance des aéronefs.

FPA dans les normes réglementaires et de formation

• OACI : PANS-OPS et Doc 10011 exigent la compréhension du FPA pour toutes les licences de pilote et l’UPRT.
• FAA/EASA : Imposent la démonstration de la gestion du FPA lors de la formation, des contrôles et du recyclage.
• SOP compagnies : Réfèrent de plus en plus au FPA et FPV pour les briefings d’approche, la gestion d’énergie et les remises de gaz.

Exemples de scénarios : FPA, tangage et AoA en action

Scénario 1 : Plané moteur réduit

• Situation : Avion au ralenti, tangage +2°, mais en descente (FPA -3°).
• AoA : Plus élevé qu’en croisière, car l’aile doit générer de la portance à vitesse réduite. Le FPA révèle la trajectoire réelle – nez légèrement haut, mais perte d’altitude.

Scénario 2 : Remise de gaz en IMC

• Situation : Le pilote initie la remise de gaz, cabre, mais n’ajoute pas assez de poussée.
• Risque : Le FPA peut rester négatif malgré le nez cabré. La montée sûre n’est assurée que quand la poussée suffit et que FPA/vitesse verticale deviennent positifs.

Scénario 3 : Récupération de décrochage

• Situation : L’avion pique du nez lors de la récupération.
• Action clé : L’AoA doit être réduit sous la valeur critique ; le FPA peut réagir plus lentement que le tangage.

Scénario 4 : Approche stabilisée

• Situation : FPV aligné sur le repère -3°, tangage à +1°, FPA -3°, AoA adapté à la vitesse d’approche.
• Résultat : Avion maintient une trajectoire de descente stable et sûre vers la piste.

Références et lectures complémentaires

• OACI Doc 8168 (PANS-OPS)
• OACI Doc 10011 (Manuel UPRT)
• FAA Airplane Flying Handbook (FAA-H-8083-3)
• FAA AC 25-7D
• Boeing/Airbus FCTM et FCOM
• Jeppesen Manuels de formation IFR/Commercial
• NASA Glenn Research Center : Angle d’attaque et Angle de trajectoire

Comprendre et appliquer les distinctions entre FPA, tangage et AoA est fondamental pour un pilotage sûr, efficace et professionnel à chaque phase du vol.